친환경 냉매개발과 함께 히트펌프·DC·산업용 등 적용분야 확대가 본격화되는 가운데 관련 기술개발 동향과 실증사례를 공유하는 자리가 마련됐다.
냉난방공조·기계설비·신재생·녹색건축 전문저널 칸kharn은 5월7일 서울 코엑스마곡에서 ‘친환경 냉매 대전환 시대: 규제에서 기회로’ 세미나를 개최했다.
이번 행사는 △친환경 냉매정책 및 R&D △HVAC분야 △친환경 냉매 전주기 관리 △콜드체인설비 △대형 콜드체인설비 △DC·반도체분야 등 친환경 냉매가 전환되는 흐름을 전반적으로 다루며 하루동안 6개 세션이 진행됐다.
1-2 HVAC분야 친환경 냉매 전환 세션에서는 HVAC분야에서 냉매 전환흐름과 기술개발, 실증사례 등이 소개됐다.
발표는 △냉매전환을 위한 친환경 냉매 개발 동향(이공훈 한국기계연구원 연구위원) △HVAC냉매 전환 흐름 속 제품 적용 사례(최수인 LG전자 책임) △HVACR산업 대전환을 이끄는 Low GWP솔루션과 적용 사례(박지웅 솔스티스 부장) △Low GWP냉매 적용 폐열회수 고온용 히트펌프 개발(안영호 청운시스템 이사) 등으로 진행됐다.
국내, AI 기반 친환경 순수냉매 개발 추진
이공훈 한국기계연구원 연구위원은 ‘냉매전환을 위한 친환경 냉매 개발 동향’에 대해 발표했다. 현재 친환경 냉매 개발은 △일본 △유럽 △미국 중심으로 추진되고 있다. 일본은 정부(NEDO) 주도로 냉매개발 R&D가 활발하게 이뤄지고 있다. AGC, Daikin 등 냉매개발 기업이나 연구소 등이 참여해 순수냉매와 혼합냉매 개발을 진행 중이며 관련 인프라도 상당 부분 구축된 상태다.
현재 일본이 개발 중에 있는 HFO1123계 혼합냉매는 GWP 10 미만을 목표로 하고 있다. 그러나 △LOW GWP △안정성 △현행대비 동등 이상 성능을 모두 충족하는 혼합냉매는 아직 발견하지 못한 상황이다.
유럽은 정부 주도보다는 개별 프로젝트를 중심으로 개발이 이뤄지고 있으며 반응성유체(REACHER)를 냉매로 활용하려는 연구가 진행되고 있다. 반응성 유체는 신속하고 가역적인 화학반응이 가능한 유체로 열에너지와 화학에너지를 동시에 변환할 수 있어 효율 향상될 가능성이 큰 것으로 평가된다. 2025년부터는 반응성유체 연구성과를 기반으로 사회적 실현 가능성을 검토하는 Creative 연계 프로그램이 추진되며 상용화 가능성까지 검증할 예정이다.
미국은 AHRI 주도의 평가 프로그램 AREP을 통해 추진 중이다. 1세대는 1990년대 시작했으며 2025년부터는 3세대 진행 중에 있다, 상업적 사용이 가능한 냉매와 제한 대상 냉매를 구분하는 작업이 이뤄지는 프로그램으로 올해 4월 기준 3세대 후보 냉매목록은 공개되지 않았다.
반면 국내는 냉매 개발에 대한 연구가 상대적으로 활발하지 못한 상황이다. 한국에너지기술평가원 주도로 2021년~2025년 에너지수요관리핵심기술개발사업이 추진됐으며 △친환경 냉매 개발 △성능평가 △대체냉매 적용 VRF 최적화 기술을 개발하는 R&D를 진행됐다. 그러나 혼합냉매개발은 LOW GWP 순수냉매 종류가 제한적이고 원료수급이 어렵다는 한계가 있었다.
이공훈 연구위원은 “올해부터는 순수냉매 개발을 위해 ‘AI 물질발굴기술 활용 친환경·고효율·무독성 냉매 및 히트펌프 적용 검증기술 개발’ 사업이 추진될 예정”이라며 “이번 R&D는 PFAS 대응 친환경 순물질 냉매개발과 히트펌프개발을 핵심 목표로 GWP 150미만, A2L급 이하 냉매를 개발하고자 한다”고 말했다.
이어 “냉매개발 과정에서는 냉매구성 성분 선정을 위한 순수·혼합냉매 스크리닝이 필요하며 물성 측정을 기반으로 한 성능중심 개발이 요구된다”라며 “가연성과 독성평가도 병행돼야 하며 개발 이후에는 상업적 활용 가능성을 고려해 ASHRAE 34와 ISO 817 냉매번호 등록도 필요하다”고 밝혔다.
특히 혼합냉매 개발을 위해서는 기액 상평형 측정을 통해 두 개의 순수물질이 혼합됐을 때 포화상태에서 나타나는 특성을 분석해야 한다. 액체·기체상태 물성을 결정하기 위해서는 포화상태의 포화밀도 측정이 필수적이며 이를 위해 액체·기체의 △밀도·점도 △비열측정장비를 구축했다.
가연성 평가는 ASTM E681(LFL)과 ASHRAE 34 요구사항에 부합하는 장비를 기반으로 진행되고 있다. LFL 시험에서는 3회 시험 중 2회 이상 화염이 전파될 경우 가연성이 있는 것으로 판단한다.
LG전자, 단계적 냉매전환·대용량 라인업 구축
최수인 LG전자 책임은 ‘HVAC냉매 전환 흐름 속 제품 적용 사례’를 소개했다.정부 규제 강화에 따라 HFC 계열 냉매의 생산·사용량이 단계적으로 감축되고 있으며 향후 제품 적용에도 제한이 예고된 상태다. 냉동기의 경우 2030년부터 GWP 750 이상 냉매 사용을 제한하는 기후에너지환경부·산업통상자원부 공고가 지난해 12월 발표됐다. 또한 글로벌 냉매시장은 HFO와 LOW GWP 계열 중심으로 빠르게 전환되고 있다.
최수인 책임은 "LG전자는 이러한 냉매트렌드에 따라 제품별 단계적 냉매전환과 용량 확대를 추진하고 있다"라며 "2023년 무급유 인버터 터보(R1233zd) 개발을 시작으로 올해는 인버터 스크롤 C/O(R32), 공랭식 무급유 인버터 터보(R1234ze) 개발을 진행하고 있다"고 말했다.
신냉매 수랭식 냉동기 라인업은 대용량 중심으로 구성됐다. 신냉매 무급유 인버터 터보냉동기(R1233zd)는 저전압 1,000RT, 고전압 2,000RT급으로 구축됐으며 무급유 인버터 터보냉동기(R134a·R-513A)는 2,000RT, 2단 터보냉동기(R134a·R513A)는 5,000RT급까지 라인업을 확보했다.
신냉매 적용 공랭식 냉동기는 운전온도 조건에 따라 라인업 커버 영역을 구분하고 있다. 개발 중인 무급유 터보냉동기(R1234ze)는 100RT~390RT급으로 확대될 예정이며 프리쿨링 스크류냉동기(R513A)는 100RT~320RT급 라인업이 구축돼 있다. R-32 적용 히트펌프는 고압가스 인허가가 필요 없는 45RT급까지 제품군을 갖추고 있다.
LG전자는 용인소재 한 데이터센터(DC)에 무급유 인버터 터보냉동기 1,600RT급 9대와 450RT급 3대를 적용했다. Low GWP 냉매를 적용했으며 저압 냉매를 사용해 고압가스 인허가 대상에서 제외됐다. 또한 대용량 터보냉동기를 병렬 구성해 부하변동에 따른 안정적인 연속운전 구조를 확보했다. 무급유 구조를 적용해 오일 관련 유지보수비용도 절감했다.
또한 한국수자원공사의 수열에너지 시범사업을 통해 삼성동 한 센터에 수열원 무급유 인버터 히트펌프(R1233zd) 1,000RT급 3대와 급탕용 500RT급 1대를 구축했다. 대용량 히트펌프 적용으로 설치공간을 절감했으며 수열원 활용을 통해 운영비를 낮췄다. 냉각탑을 적용하지 않아 백연 관련 민원감소 효과도 기대된다.
신냉매 무급유 인버터 터보는 인버터 기본 적용을 통해 부분부하 효율을 높였으며 무급유 기술 적용으로 오일에 따른 열교환 효율손실을 줄였다. 또한 오일계통 배관과 부품을 제거해 배관구성을 단순화하고 관리 포인트·유지보수 시간을 감소시켰다.
논산의 한 스마트팜 현장에는 공랭식 인버터 스크롤 히트펌프 45RT급 12대가 구축됐다. 안정적인 냉·온수 공급을 통해 적정 생육온도를 유지할 수 있으며 하절기 냉방운전을 통해 작물 재배환경을 조성했다.
또한 농사용 저렴한 전력요금과 고효율 제품을 결합해 기존 등유·가스보일러 대비 운영비를 절감했다. 소형 사이클 단위로 구성돼 고장발생 시에도 연속운전이 가능하며 별도 백업설비 부담도 줄였다.
공랭식 인버터 스크롤 칠러는 신냉매 적용을 통해 냉방 출수온도를 25℃, 난방 출수온도를 60℃까지 확대했다. 연속 난방운전과 고장 시 백업운전이 가능해 안정적인 운전성과 제품 신뢰성을 확보했으며 다양한 제품라인업을 기반으로 현장 맞춤형 대응이 가능하다.
솔스티스, 규제 대응 대체냉매 라인업 확보
박지웅 솔스티스 부장은 ‘HVACR산업 대전환을 이끄는 Low GWP솔루션과 적용 사례’를 주제로 글로벌 규제에 따른 냉매 전환 트렌드와 HFO 냉매솔루션을 소개했다.
미국과 유럽을 중심으로 냉매 규제가 강화되면서 기존 HFC냉매에서 HFO기반 Low GWP냉매로의 전환이 빠르게 진행되고 있다.
미국은 R410A 대체냉매인 R454B기반 에어컨·히트펌프 전환과 R134a 대체냉매인 R513A 칠러전환이 확대되고 있으며 데이터센터산업 성장과 맞물려 냉매전환과 냉각기술 혁신이 동시에 추진되고 있다. 유럽은 산업폐열 회수를 기반으로 산업용 히트펌프시장이 확대되며 친환경 냉매 적용이 지속적으로 증가하는 추세다.
이러한 흐름 속에서 솔스티스는 GWP가 1 이하인 냉매부터 A1(비가연성), A2L(약가연성)까지 다양한 안전등급을 아우르는 HFO기반 포트폴리오를 구축했다. 적용분야 역시 △자동차 △주거 및 상업용 HVAC △콜드체인 △데이터센터 △히트펌프 △고온 에너지 전환시스템 등으로 확대되며 산업 전반을 포괄하고 있다.
솔스티스의 대체냉매 개발현황에 따르면 A2L(약가연성) 등급이면서 GWP 1 미만인 HFO 1234yf는 △차량용 공조 △자판기 △냉장고 등에 적용되며 1234ze는 △중온 냉동 △스크류 원심식 칠러 △고온 히트펌프 △E-Cooling 분야에서 활용된다. 또한 A1(비가연성) 등급인 1233zd는 △초고온 히트펌프 △ORC △칠러 △E-COOLING 등 높은 안전성이 요구되는 산업분야에서 각광받고 있다.
이와 함께 솔스티스는 성능의 변화 없이 즉시 적용가능한 HFO 혼합 냉매솔루션도 확보하고 있다. 주요제품으로는 △R455A(GWP 146) △R454C(GWP 146) △R515B(GWP 299) △R513A(GWP 572) △R448A(GWP 1,273) 등이 있으며 기존 설비와의 호환성을 고려한 설계로 산업현장의 전환 부담을 줄이는 데 초점을 맞춘 제품을 공급하고 있다.
해당 솔루션은 주요 산업별 적용 시나리오에 따라 다양한 산업분야에서 빠르게 확대되고 있다. ESS 및 반도체분야에서는 △R448A △R455A △R454C △R1234ze(E) △1233zd(E)를 통해 공조 및 프로세스 칠러에서 적용되고 있으며 DC분야에서는 △R513A △R515B △R1234ze(E) △1233zd(E) 등을 활용해 D2C·액침냉각, 칠러, 히트펌프에 적용되고 있다. 콜드체인 분야에서는 △R455A △R454C △R448A, HVAC 분야에서는 △R454B △R454C △R513A △1234ze(E) 등 실제 적용사례를 소개했다.
국내 역시 HFCs 사용 제품의 물질 전환이 본격화될 전망이다. 고정식 공조에서는 공조용 냉동기, 에어컨, 히트펌프 중심으로 이동식 공조에서는 차량용 에어컨 및 히트펌프 중심으로 냉매 전환이 진행될 것으로 예상된다. 솔스티스는 이러한 변화에 대응해 글로벌제조사에 적용되고 있는 지속가능한 냉매 솔루션을 기반으로 국내 시장 대응을 강화하고 있다. 솔스티스는 이러한 지속가능한 솔루션 선정기준으로 △규제 준수 △CO₂ 배출 저감 △경제성 △안전성 등을 강조했다.
박지웅 부장은 “전 세계적으로 Low GWP HFO 냉매는 이미 다양한 산업과 장비에 적용되어 빠르게 확대되고 있다”라며 “지금과 같은 전환기에는 단순 대응이 넘어 냉매전환과정에서의 부담을 최소화하고 보다 전략적인 선택이 중요한 시점”이라고 밝히며 새로운 시장 기회의 중요성을 역설했다.
산업폐열 활용 고온 HP개발 본격화
안영호 청운시스템 이사는 ‘Low GWP냉매 적용 폐열회수 고온용 히트펌프 개발’에 대해 발표했다. 최근 냉매 규제가 강화되면서 기존 냉매 사용이 어려워지고 있는 가운데 산업현장에서 발생하는 40~100℃ 수준의 폐열은 상당부분 대기로 방출되고 있다. 반면 70~200℃ 공정열은 여전히 화석연료기반으로 생산되고 있어 전환 가능성이 큰 것으로 평가된다.
이에 따라 친환경 전력과 폐열 재활용을 결합한 고온용 히트펌프가 산업 탈탄소화의 핵심 수단이 될 것으로 전망하며 제지·섬유·식품 등 건조공정 주요 적용분야로 제시했다. 특히 제조산업에서 건조공정이 탄소배출의 약 64%를 차지하고 있으며 히트펌프 도입 시 약 30% 수준의 탄소감축 효과가 기대된다.
이에 따라 2024년 4월1일부터 2028년 12월31일까지 제지공장의 고온다습한 공기에서 발생하는 70~80℃ 폐열을 회수해 건조열풍으로 전환하고 이를 초지공정에 공급하는 하이브리드 히트펌프시스템 개발이 추진되고 있다.
개발 목표는 △COP 3.5 이상(보일러대비 에너지 절감률 30%) △건조열풍 온도 100℃ △건조열풍 상대습도 RH 4% 이하 △Low GWP(GWP 10 미만) 냉매 적용 등이다. 이번 과제에는 청운시스템이 주관기관으로 참여하고 있으며 △대성기계공업 △한국생산기술연구원 △한국냉동공조인증센터 △경북대학교 등이 함께 참여하고 있다.
Low GWP 냉매선정에는 △임계온도 120℃이상 △ODP=0·GWP 10 미만 △A2L 이하 △오일 호환 등을 고려해 R1233zd(E) 와 R1336mzz(Z) 냉매가 1차 후보로 선정됐다. 이후 사이클 시뮬레이션을 통해 △응축온도 110℃ △이론 COP 7.3 △필드운전 COP 3.5이상 등으로 설계기준이 마련됐으며 응축온도 △100℃ △110℃ △120℃ 조건에서 COP가 더 높은 R1233zd(E)가 최종 냉매로 선정됐다.
장비제작 중 난제는 고온조건에서도 구동 가능한 압축기를 확보였다. 흡입온도 60도~80℃, 토출온도 110~140℃ 조건을 만족해야 했지만 기존 압축기는 고온 사이클 운전이 어렵다는 한계가 있었다. 이에 따라 비처(Bitzer)가 흡입가스 60℃, 최대 응축 120℃ 이하 조건에서 R1233zd(E) 적용 필드테스트를 진행 중인 점을 고려해 비처 Ecoline 왕복동식기반 커스터마이징을 채택했다.
냉동유 선정에서는 △110~140℃ 토출온도 장기운전 안정성 △고온환경에서 윤활·밀봉점도 확보 △R1233zd(E)와 혼합 안정성 △산화 저항성 등 4가지 항목을 검토했다. 그 결과 △260~270℃ 인화점 △냉매 상용성 △윤활·수분 안정성 등을 충족한 PAO100 오일이 선정됐다.
핵심부품인 열교환기는 생기원과 협업해 △응축 110℃ △증발 70℃ △여유율 20% 반영한 응축기와 압축기를 설계했다. 고온용 전자식 팽창밸브는 댄포스(Danfoss)의 ICM25를 선정했다. 해당 제품은 산업용 고압·고온 운전성능이 검증됐으며 정밀 모터제어와 R1233zd(E) 호환이 가능하다.
이번 개발을 통해 △R1233zd(E)기반 고온 사이클 구현 △고온영역 핵심부품 선정 기술확보 △Full Scale 200kW급 설계자료 확보 △산업용 압축식 히트펌프 KS 표준 제안기반 마련 등 성과를 확보했다.
안영호 이사는 “산업 폐열과 Low GWP 냉매의 결합이 산업 탈탄소화를 위한 가장 현실적인 해법”이라며 “향후에는 공인실증과 수요기업 사이트에서 240시간 연속운전 공인시험을 추진할 예정”이라고 설명했다.
이어 “제지산업에서 섬유·식품·화학 건조공정까지 분야를 확대하고 고온 히트펌프 핵심부품 국산화와 글로벌 시장대응도 추진할 예정”이라고 밝혔다.
한편 이번 세션에서 예정이었던 ‘저GWP 전환을 위한 냉동공조설비 핵심기술 개발’은 R&D 수행기업 재평가 진행에 따라 발표가 이뤄지지 않았다.
